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01
内容概览
现有技术缺点
电气性能变化：传统的可拉伸射频（RF）元件在弹性应变下，尤其在低应变时，其电气性能会显著变化，如天线谐振频率漂移，导致无线信号强度或能量传输效率大幅下降。 介电损耗高：现有的弹性体基底在频率变化时存在较高的介电损耗，导致RF元件散失大量电磁能量，影响整体性能。
热性能差：弹性体基底的导热性差，缺乏散热能力，限制了RF设备在高温或高应变环境下的应用。
文章亮点
应变不变RF电子器件：作者提出了一种使用“介电-弹性”材料（DEE）的可拉伸射频电子器件，能够在各种弹性应变下完全保持原始射频特性，有效避免了频率漂移。
高性能材料：DEE材料具有低介电损耗、高导热性和与现有弹性基底相当的机械模量及可拉伸性，为高性能可拉伸RF电子产品奠定基础。
广泛应用潜力：该系统展示了关键的可拉伸RF组件，如远场天线、感应线圈和传输线在使用DEE基底时能够实现应变不变的RF特性，适用于多种可穿戴和可拉伸系统。
应用场景
无线健康监测：利用DEE材料制作的RF电子器件可用于皮肤界面的无线医疗监测设备，能够在0-30米的范围内提供稳定的无线通信和功率传输，无需电池。
全身健康监测：基于DEE的可穿戴仿生带可以实现全身健康监测，在广泛的应变范围内（0-30%）提供临床相关数据，适用于长期健康监测。
总结
本文提出了一种基于“介电-弹性”材料（DEE）的应变不变可拉伸射频（RF）电子器件，能够在各种弹性应变下保持其初始电气性能，克服了传统可拉伸RF元件在应变下电气性能变化的挑战。该技术为高性能可拉伸无线系统提供了稳定的基础，并展示了在皮肤界面无线健康监测等应用中的广泛潜力。DEE材料的引入为未来可拉伸电子设备的发展奠定了坚实的基础，适用于各种需要无线功能的可拉伸系统。
在30%的外加应变下，基于DEE的天线的连续无线连接。
文章名称：Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics
期刊：Nature
文章DOI：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07383-3
通讯作者：韩国首尔汉阳大学Yei Hwan Jung和Hyoungsuk Yoo
02
图文简介
作者提出了一种基于“介电弹性体 ”（dielectro-elastic elastomer，DEE）的应变不变的可拉伸RF电子器件，其介电常数随应变变化，从而有效地调整RF特性，防止谐振频率（f0）偏移（图1a）。作者证明了将高-κ陶瓷纳米颗粒（nanoparticles ，NPs）团簇在微米级球体中嵌入到弹性体基质中，可以形成一种DEE复合材料，实现上述所有特性（图1b）。在这种复合材料中，介电常数随着拉伸而线性降低
图1 介电-弹性复合材料实现的应变不变可拉伸无线系统。a，示意图显示了所提出的应变不变可拉伸无线系统与传统的可拉伸无线电子设备相比，后者在受到应变时由于天线谐振频率的偏移而导致无线断开连接。b，介电-弹性复合（DEE）基底的示意图，由BaTiO3团簇组成。拉伸DEE会引起BaTiO3团簇的几何变形，导致复合基底的介电常数（ɛ）减小。c，d，与广泛应用于可拉伸电子设备的传统弹性体基底相比，DEE显示出显著减少的介电损耗（损耗切线）和增强的介电常数变化。e，各种基底上制备的可拉伸无线天线的谐振频率偏移比较。在DEE上制备的可拉伸天线显示出优越的应变不变性能，与先前报道的基底相比。f，应变不变可拉伸无线系统的照片，显示与皮肤的共形接触。比例尺，10mm。g，h，在传统弹性体和DEE基底上制备的近场线圈的功率传输效率（η）比较。与传统基底相比，DEE在受应变时表现出高稳定性。i，j，在DEE上制备的应变不变蓝牙天线与传统天线的信号强度比较。DEE上的可拉伸天线显示出一致的信号强度，而传统的可拉伸天线在小应变（约2%）时由于谐振频率的显著偏移而失效。
图2概述了合成DEE的步骤（方法视频1）以及表征。
视频1：通过添加极性溶剂使BaTiO（3）NPs在DCM溶液中团聚。
图2 DEE的制备和表征。a，显示DEE的制备示意图。b，受到双轴应变作用的薄膜DEE（700 µm）的照片。刻度尺，5 mm。c，30%拉伸前后DEE的横截面立体显微镜图像。在30%应变下，BaTiO3团簇的形状从球形（顶部）变为椭球形（底部）。刻度尺，100 µm。d，放大的BaTiO3团簇的横截面扫描电子显微镜图像，显示在30%应变下的几何形变。团簇的几何变化源于应变引起的NPs重新排列。刻度尺，20 µm。e，在应变下比较DEE和传统弹性体在两个常用ISM射频（约13.56 MHz和约2.4 GHz）下的介电常数变化。DEE在13.56 MHz和2.4 GHz下分别降低了2.10和1.95，而传统基底保持不变。f，多物理仿真显示DEE在30%应变下的DEE 电场分布变化。g，在0%应变下比较DEE和传统弹性体在ISM射频下的损耗切线。与传统弹性体相比，DEE在两个频率下显示出较低的介电损耗。h，在30%应变下比较均匀混合复合材料与不同高k NPs （BaTiO3、SrTiO3和Al2O3）形成的DEE对应物的对应物的介电常数变化。i，在30%应变下比较基于不同种类NP 的各种DEE的损耗切线和介电常数变化。j，模拟显示两种不同复合材料（嵌入刚性µP和NP团簇）中的von Mises应力分布。k，不同种类复合材料（BaTiO3µP、BaTiO3 NP和BaTiO3 DEE）的应力-应变曲线。l，根据不同NPs体积分数的可拉伸性和Δɛ的比较。
视频2：在30%的外加应变下，基于Ecoflex的天线无线断开。
视频3：在30%的外加应变下，基于DEE的天线的连续无线连接。
图3 应变不变可拉伸RF器件的设计与表征。a，基于DEE制备的应变不变可拉伸贴片天线的示意图和照片。b，传统弹性体上制备的可拉伸贴片天线在0-30%应变下的S参数（S11）。在0-30%应变下，传统可拉伸天线的共振频率从2.4 GHz变化到1.9 GHz。c，基于DEE制备的可拉伸贴片天线在0-30%应变下的S参数（S11）。DEE上的可拉伸贴片天线在0-30%的应变下表现出稳定且不变的共振性能。d，显示在传统弹性体和DEE上制备的可拉伸天线的LED演示照片。f，g，基于传统弹性体和DEE基底制备的近场线圈在0-30%应变下的S参数。与传统弹性体相比，DEE系统显示出高共振稳定性和应变不变特性。h，传统弹性体和DEE上的近场线圈无线功率传输的照片。j，k，基于传统弹性体和DEE制备的可拉伸共面传输线的S参数。与传统弹性体相比，DEE在30%应变下显示出应变不变的共振。l，比较在0%和30%应变下，传统弹性体和DEE上制备的共面传输线的功率传输能力的实物演示照片。
图4 基于应变不变RF设备的皮肤界面无线系统。a，在DEE上制备的皮肤界面无线系统的照片。它由应变不变的RF器件组成，包括可拉伸贴片天线（远场）、可拉伸矩形电感线圈（近场）以及带有脉冲传感器的相应可拉伸电路。b，展示皮肤界面无线系统在曲面展开、圆柱体表面弯曲、扭曲和戳刺时的机械顺应性的照片。比例尺，5毫米。c，手腕上佩戴的皮肤界面无线系统用于检测动脉脉搏信号的照片。d，皮肤界面系统与外部移动设备之间的连续远场无线通信。传感器获取的动脉脉搏信号成功传输到远距离范围为0至30米的外部移动设备。e，f，分别在传统弹性体和DEE上制备的应变传感器测得的周期性电阻变化。整个系统被拉伸30%，导致传统弹性体上的天线失效，从而无线连接中断（e），而DEE上的拉伸系统显示出连续的周期性电阻变化，与有线设备获取的信号完全同步（f）。g，h，在传统弹性体和DEE上制备的皮肤界面系统获取的动脉脉搏信号。当传统弹性体上的天线被拉伸30%时，无线动脉脉搏信号断开（g）。在DEE上的系统中，即使在施加30%的应变下，信号仍能持续传输到外部设备，显示与有线条件匹配的周期性动脉脉搏图（h）。
图5 应变不变的可穿戴仿生带用于全身生理监测。a，设计用于测量头部脑电图信号的应变不变可拉伸仿生带示意图。插图显示了仿生带的照片。b，在0%应变(上)和50%应变(下)下，集成在基于织物的仿生频带中的DEE应变不变天线的照片。c，在0-60%应变范围内，基于Ecoflex和基于DEE的天线集成在仿生频段的无线通信信号强度。数据传输的稳定区域在-70 dB以上。d，示意图显示了戴在幼儿和成年人头部进行脑电图测量的可拉伸仿生带。插图显示了成年人头部戴着仿生带的照片。e，f，使用仿生带从幼儿（30%拉伸）和成年人（50%拉伸）测量的脑电图信号的频谱图，眼睛睁开（顶部）和闭合（底部）。h，在在高达30 m的无线距离内，在体育锻炼期间将各种关节运动的实时数据传输到移动设备。i，从手臂可穿戴仿生带检测到的EMG信号，并在无线距离为0和30 m时传输到移动设备。插图显示了戴在尺侧腕屈肌上的仿生带。j，显示了在锻炼期间基于手腕可穿戴仿生带测量皮肤温度的照片。k，从仿生带获取的皮肤温度的实时数据，并在无线距离为0、15和30 m时传输到移动设备。
03
文献来源
Kim, S.H., Basir, A., Avila, R. et al. Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07383-3
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